DE10121677A1 - Vorrichtung zur Abtastung des Oberflächenverlaufs eines Werkstücks - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur Abtastung des Oberflächenverlaufs eines Werkstücks (22) umfaßt einen stationären, an einer Werkzeugmaschine befestigbaren Teil (1). Ein zweiter Teil (2) ist gegenüber dem ersten Teil (1) in vertikaler Richtung linear beweglich geführt. Mindestens ein Linearwegsensor, im gezeigten Beispiel ein Linearpotentiometer (5, 6), ist an einem (1) der beiden Teile (1, 2) der Vorrichtung befestigt. Der Schleifer des Linearpotentiometers (5, 6) ist mit dem jeweils anderen (2) der beiden Teile (1, 2) der Vorrichtung verbunden. Das Linearpotentiometer (5, 6) bildet einen Wandler, der die Bewegung des beweglichen Teiles (2) gegenüber dem stationären Teil (1) in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses wird von einer Auswertschaltung verarbeitet, deren Ausgangssignal für die relative Höhenposition des beweglichen Teiles (1) gegenüber dem stationären Teil (2) repräsentativ ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abtastung des Oberflächenverlaufs eines Werkstücks mit

• a) einem stationären, an einer Werkzeugmaschine befestig­ baren Teil;
• b) einem gegenüber dem stationären Teil beweglichen Teil, der ein an die Oberfläche des Werkstücks anleg­ bares Abtastglied aufweist;
• c) einem Wandler, der die Bewegung des beweglichen Teils gegenüber dem stationären Teil in ein elektri­ sches Signal umwandelt;
• d) einer Auswertschaltungsanordnung, der das elektri­ sche Signal des Wandlers zugeführt wird und hieraus ein Ausgangssignal erzeugt, welches für die Relativ­ postion des beweglichen Teiles gegenüber dem statio­ nären Teil repräsentativ ist.

Bei der automatischen Bearbeitung von Werkstücken auf einer Werkzeugmaschine stellt sich häufig das Problem, daß das Werkzeug der Werkzeugmaschine in einer bestimm­ ten geometrischen Beziehung zur Werkstückoberfläche stehen muß. Besonders häufig, insbesondere bei der Laser­ bearbeitung, ist der Fall, daß sich das Werkzeug, z. B. ein Laserschweißkopf, in einer bestimmten Höhe oberhalb der Werkstückoberfläche zu befinden hat, um ein optima­ les Ergebnis zu erzielen. Im allgemeinen führt das Werkstück gegenüber dem Werkzeug eine Relativbewegung aus; ist die Werkstückoberfläche nicht vollständig eben oder ist geneigt, kann sich bei der Relativbewegung der Abstand zwischen Werkzeug und Werkstückoberfläche verändern. Diese Änderung muß durch eine entsprechende Vertikalbewegung des Werkzeuges kompensiert werden, wozu Informationen über den Oberflächenverlauf des Werkstückes erforderlich sind. Hierzu werden Vorrichtungen der eingangs genannten Art eingesetzt.

Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in der DE 196 15 069 A1 beschrieben. Diese dient konkret zum Nach­ führen von Werkzeugen entlang einer Werkstückkante, beispielsweise, um entlang dieser Kante eine Schweißung durchzuführen. Das bewegliche Teil dieser bekannten Vorrichtung läuft in einem kugelförmigen Taster aus und ist am stationären Teil verschwenkbar angelenkt, so daß eine Veränderung der Höhe der Oberfläche des Werkstückes mit einer Verschwenkung des beweglichen Teiles verbunden ist. Wie der Wandler aussieht, der diese Schwenkbewegung des beweglichen Teiles in ein elektrisch verarbeitbares Signal umsetzt, ist in der DE 196 15 069 A1 ebensowenig beschrieben wie Details der Auswertschaltung, mit der ein quantitativ verwertbares Ausgangssignal erzeugt wird. Zur Bestimmung der Höhenlage der Werkstückoberfläche ist diese bekannte Vorrichtung weniger geeignet, da die Höhenlage der Werkstückoberflächen nicht direkt erfaßt wird sondern aus dem Schwenkwinkel in irgendeiner Weise errechnet werden muß. Es ist leicht nachprüfbar, daß selbst eine korrekte Berechnung der Höhe aus der bekannten Hebellänge und aus dem Schwenkwinkel des Hebels zu Fehlern führen kann. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß bei unterschied­ lichen Winkeln des beweglichen Teils zum Werkstück der Abstand auf dem Werkstück zwischen dem in Richtung der Längsachse des beweglichen Teils am weitesten vom Schwenkgelenk entfernten Punkt des Tasters und dem tatsächlichen Auflagepunkt des Tasters stets unterschiedlich ist. Bei unebenen Werstückoberflächen führt dies dazu, daß eine präzise Höhenberechnung kaum möglich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrich­ tung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß mit ihr der Höhenverlauf der Werkstückoberfläche präzise in ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal umge­ setzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

• a) das bewegliche Teil gegenüber dem stationären Teil in vertikaler Richtung linear beweglich geführt ist;
• b) der Wandler mindestens einen Linearwegsensor mit zwei Sensorkomponenten umfaßt, dessen erste Sensorkomponente an einem der beiden Teile der Vorrichtung befestigt ist und dessen mit der ersten Sensorkomponente zur Linearwegmessung zusammenarbeitende zweite Sensor­ komponente mit dem jeweils anderen der beiden Teile der Vorrichtung verbunden ist.

Erfindungsgemäß wird also für das bewegliche Teil der Vorrichtung nur ein einziger Bewegungsfreiheitsgrad zugelassen, nämlich eine lineare, vertikale Bewegung. Dies entspricht der Richtung, in welcher eine präzise Vermessung der Werkstückoberfläche erforderlich ist. Als Linearwegsensoren können, abhängig von der erforder­ lichen Präzision der Wegmessung, analoge oder auch digitale Linearwegsensoren eingesetzt werden.

Der mindestens eine Linearwegsensor ist vorzugsweise als Linearpotentiometer ausgeführt. Die eine Sensorkomponente ist dann ein Schleifer, dessen Schleiferstellung von der Relativposition des beweglichen Teiles gegenüber dem vertikalen Teil abhängt. Der zwischen dem Schleifer und einem der beiden festen Anschlüsse des Linearpotentiometers gemessene Widerstandswert verändert sich hochlinear mit der Position des Schleifers. Auf diese Weise ist dieser Widerstandswert ein exaktes Maß für die Höhenposition des beweglichen Teiles gegenüber dem stationären Teil.

Vorteilhafterweise wird das bewegliche Teil durch eine Federeinrichtung gegenüber dem stationären Teil nach unten gedrückt. Das bewegliche Teil nimmt also unter der Einwirkung der Federeinrichtung stets die tiefst­ mögliche Stellung gegenüber dem stationären Teil ein. Die tiefstmögliche Stellung wird entweder durch Anlage des Abtastgliedes an der Werkstückoberfläche oder durch einen Anschlag bestimmt und kann z. B. durch einen Kom­ parator in der Auswertschaltungsanordnung überwacht werden.

Zweckmäßigerweise ist eine Kolben-Zylinder-Einheit vor­ gesehen, mit welcher der bewegliche Teil der Vorrichtung gegenüber dem stationären Teil der Vorrichtung angehoben werden kann. Dies ist beispielsweise von Vorteil, wenn Stufen oder Höhenunterschiede an der Werkstückoberfläche überwunden werden müssen, welche bei der bloßen Relativ­ bewegung zwischen Werkstück und Abtastglied nicht selbst­ tätig überwunden werden und zur Zerstörung durch mecha­ nische Kollision führen können.

Die Anzeigegenauigkeit der Vorrichtung wird bei derjenigen Ausführungsform zusätzlich erhöht, bei welcher der Wandler zwei Linearpotentiometer umfaßt, die mechanisch gesehen parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Auswert­ schaltungsanordnung einen Mittelwertbildner aufweist, der als Ausgangssignal den Mittelwert der von den beiden Linearpotentiometern gewonnenen Signale erzeugt. Auf diese Weise lassen sich Fertigungsungenauigkeiten und Unterschie­ de in den beiden die Linearpotentiometer enthaltenden Schaltungszweige weitgehend kompensieren.

Die Auswertschaltungsanordnung kann zwei Schwellwert- Komparatoren aufweisen, von denen der eine bei Überschrei­ ten eines ersten Schwellwertes des vom Wandler geliefer­ ten elektrischen Signales und der andere bei Unterschrei­ ten eines zweiten Schwellwertes des vom Wandler geliefer­ ten elektrischen Signales ein Warnsignal erzeugt. Im wesentlichen überwachen die beiden Schwellwert-Komparatoren also die Anschläge des Verfahrbereiches des beweglichen Teiles gegenüber dem stationären Teil. Ist ein derartiger Anschlag erreicht, kann die Vorrichtung den ihr zugedach­ ten Zweck verständlicherweise nicht mehr erfüllen; in diesem Falle muß ein Alarm erzeugt werden.

Vorteilhafterweise wird jedes Linearpotentiometer von je einer getrennten, einstellbaren Konstantstromquelle gespeist. Auch diese Maßnahme dient dazu, individuelle Unterschiede der Linearpotentiometer, die fertigungsbedingt sind, ausgleichen zu können. Hierzu wird jede Konstantstrom­ quelle so eingestellt, daß die Ausgangssignale der bei­ den Linearpotentiometer möglichst identisch sind. Selbst­ verständlich lassen sich die Potentiometer auch über eine oder zwei getrennte Spannungsquellen versorgen, die Stromquellen werden jedoch wegen der höheren Stabilität und Meßsicherheit bevorzugt. Eine Stromquelle kompensiert außerdem den Spannungsverlust an der Zuleitung des Poten­ tiometers und es ist somit möglich, unterschiedliche Kabellängen oder Rekalibrierung zu verwenden.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die von den beiden Linearpotentiometern gewonnenen Signale einem Differenzverstärker zugeführt werden, dessen Aus­ gang mit einem Fenster-Diskriminator verbunden ist, wobei der Fenster-Diskriminator ein Warnsignal abgibt, wenn die Differenz zwischen den beiden von den Linearpo­ tentiometern gewonnenen Signal im Fehlerfall einen be­ stimmten Wert überschreitet. Diese Ausführungsform der Erfindung nutzt die Existenz zweier Linearpotentiometer für eine Sicherheitsüberwachung: Idealerweise sollte die Differenz der von den beiden Linearpotentiometern erzeugten Signale Null sein; dies bedeutet, daß beide Linearpotentio­ meter in Ordnung sind. Dieser Zustand kann bei korrekt arbeitenden Linearpotentiometern exakt herbeigeführt werden, indem die Konstantstromquellen, aus denen sie gespeist werden, entsprechend eingestellt werden. Verändert sich sodann im Laufe des Betriebes der Vorrichtung die Differenz der beiden von den Linearpotentiometern gewon­ nenen Signale, so ist dies ein Indiz dafür, daß in einem der beiden den Linearpotentiometern zugeordneten Schal­ tungszweigen bzw. in den Linearpotentiometern selbst ein Fehler aufgetreten ist. In diesem Falle, in dem die Vorrichtung nicht mehr richtig anzeigt, muß der weitere Betrieb der Werkzeugmaschine gestoppt und ein entsprechen­ der Alarm ausgelöst werden.

Am beweglichen Teil kann zusätzlich ein um eine horizon­ tale Achse verschwenkbarer Schwenkarm angelenkt sein, der an seinem freien Ende ein zweites an der Oberfläche des Werkstückes anlegbares Abtastglied aufweist, wobei ein Wandler vorgesehen ist, der den Schwenkwinkel des Schwenkarms gegenüber dem vertikal beweglichen Teil der Vorrichtung in ein elektrisches Signal umsetzt. Mit dieser Ausführungsform der Erfindung ist es mög­ lich, neben der vertikalen Relativposition des beweglichen Teiles gegenüber dem stationären Teil auch die Neigung der Werkstückoberfläche an der gerade abgetas­ teten Stelle zu ermitteln. Diese Neigung läßt sich bei­ spielsweise vorauseilend für die Rechnung der Verstell­ bewegung des Werkzeuges gegenüber der Werkstückoberfläche verwenden, so daß die Reaktionsgeschwindigkeit der Werk­ zeugmaschine höher ist. Von Vorteil ist zudem, daß die Neigungsmessung einen statischen Charakter hat. Selbst wenn die Abtastvorrichtung stehenbleibt, mißt der erfin­ dungsgemäße Taster die Werkstück-Oberflächenneigung und sorgt zusammen mit der Höhenmessung dafür, daß die Topographie des Werkstücks beim Wiedereinschalten der Werkzeugmaschine nach einer Pause unabhängig von einer erforderlichen Initialisierung korrekt berücksichtigt wird.

Der Wandler, mit dem der Schwenkwinkel des Schwenkarmes in ein elektrisches Signal umgesetzt wird, kann mindestens ein Drehpotentiometer umfassen. Ein Drehpotentiometer eignet sich deshalb besonders gut, weil es die Schwenk­ bewegung des Schwenkarmes mechanisch besonders einfach aufnehmen kann.

Erneut aus Gründen der Genauigkeit und der Betriebssicher­ heit empfiehlt sich dabei diejenige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher der Wandler zwei parallelliegende Drehpotentiometer umfaßt und die Auswertschaltungsanordnung für die von den Drehpotentio­ metern gewonnenen Signale analog zu der in den Ansprüchen 5 bis 9 beschriebenen Auswertschaltungsanordnung ausgelegt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; Es zeigen

Fig. 1 die Seitenansicht einer Vorrichtung zur Abtas­ tung des Oberflächenverlaufes eines Werkstückes, teilweise im Schnitt;

Fig. 2 eine Untereinheit der Vorrichtung von Fig. 1;

Fig. 3 die Auswertschaltungsanordnung, mit welcher die Vorrichtung der Fig. 1 und 2 betrieben wird;

Fig. 4 die Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbei­ spieles einer Abtastvorrichtung, ähnlich der Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Abtastung des Oberflächenverlaufes eines Werkstückes setzt sich aus einem oberen stationären Teil 1 und einem unteren, gegenüber dem stationären Teil 1 vertikal beweglich geführten Teil 2 zusammen.

Der stationäre Teil 1 der Abtastvorrichtung umfaßt zwei Gehäuse 3, 4, die Seite an Seite nebeneinanderliegend starr miteinander verbunden sind. Das in der Sicht der Fig. 1 näher am Betrachter liegende und im Schnitt gezeichnete Gehäuse 3 enthält zwei Linearpotentiometer 5, 6, die vertikal ausgerichtet nebeneinander angeordnet sind. Die Schleifer der beiden Linearpotentiometer 5, 6 sind jeweils mit einer Potentiometerstange 7 bzw. 8 verbunden, die durch Bohrungen im Boden 9 des Gehäuses 3 hindurchge­ führt sind.

Das hinter der Zeichenebene von Fig. 1 liegende Gehäuse 4 ist in Fig. 2 noch einmal gesondert herausgezeichnet. Es enthält einen Luftzylinder, dessen Kolbenstange 10 ebenfalls vertikal nach unten verläuft.

Der gesamte stationäre Teil 1 der Abtastvorrichtung ist über eines der Gehäuse 2, 3 mit einer nicht dargestellten Werkzeugmaschine starr verbunden und zwar so, daß die Abtastvorrichtung in Richtung der Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug der Werkzeugmaschine dem Werkzeug vorausläuft.

Der bewegliche Teil 2 der Abtastvorrichtung umfaßt zwei doppelt abgewinkelte Trägerplatten 11, die parallel in Abstand zueinander angeordnet sind und von denen in Fig. 1 nur eine erkennbar ist. Die beiden Trägerplatten 11 sind über ein Winkelstück 12 miteinander verbunden. Das in Fig. 2 in ausgebautem Zustand dargestellte Win­ kelstück 12 weist an seinem vertikalen Schenkel 12a eine Linearführung 13 auf, bei der es sich beispielsweise um eine Schwalbenschwanzführung handeln kann. An der benachbarten vertikalen Außenseite des Gehäuses 4 ist eine komplementäre Führung 14 vorgesehen, welche in die Führung 13 des Winkelstückes 12 so eingreift, daß das Winkelstück 12 gegenüber dem Gehäuse 4 in vertikaler Richtung geführt ist. Durch die starre Verbindung zwi­ schen dem Winkelstück 12 und den Trägerplatten 11 be­ wegen sich die Trägerplatten 11 sowie alle mit dieser starr verbundenen, noch zu beschreibenden Komponenten mit der Winkelplatte 12 mit.

Das untere Ende der Kolbenstange 10 des im Gehäuse 4 untergebrachten Luftzylinders ist mit dem horizontalen Schenkel 12a des Winkelstückes 12 verbunden. Die unte­ ren Enden der Potentiometerstangen 7, 8 sind an einer horizontalen Platte 15 festgelegt, die an einer der beiden Trägerplatten 11 angeschraubt ist.

An der letztgenannten Trägerplatte 11 ist außerden eine vertikal verlaufende Platte 16 befestigt, die an ihrem oberen Ende zwei horizontal verlaufenden Bolzen 17 trägt. Von diesen Bolzen 17 ist in der Zeichnung nur einer erkennbar, der den zweiten verdeckt. Die Bolzen 17 er­ strecken sich durch zwei Schlitze 18 in derjenigen Seiten­ wand des Gehäuses 3, die der Platte 16 benachbart ist. Erneut ist in der Zeichnung nur einer dieser Schlitze 18 sichtbar. Die Bolzen 17 dienen jeweils als Verankerung einer im Innenraum des Gehäuses 3 neben den beiden Linear­ potentiometern 5, 6 untergebrachten Zugfeder 19, deren anderes Ende im Bereich des Boden 9 des Gehäuses 3 fest­ gelegt ist. Die Anordnung ist, daß die beiden Zugfedern 19 den beweglichen Teil 2 gegenüber dem stationären Teil 1 der Abtastvorrichtung soweit wie möglich nach unten zu ziehen suchen.

In der untersten Stellung des beweglichen Teiles 2 sind sowohl die Potentiometerstangen 7, 8 als auch die Kolben­ stange 10 des Luftzylinders im wesentlichen voll ausge­ fahren.

Die unteren, schmal zulaufenden Enden der beiden Träger­ platten 11 sind durch eine Drehachse 20 miteinander verbunden, auf denen zwei Abtastrollen 21 drehbar gelagert sind. Von den beiden Abtastrollen 21, die sich in Abstand voneinander befinden, ist in Fig. 1 nur eine erkennbar. Beide Abtastrollen 21 laufen auf der Oberfläche des Werkstückes 22 ab.

Die mechanische Funktionsweise der oben beschriebenen Abtastvorrichtung ist folgende:
Es sei angenommen, daß der stationäre Teil 1 der Abtast­ vorrichtung an einer Werkzeugmaschine befestigt ist, dessen das Werkstück 22 bearbeitende Werkzeug rechts von Fig. 1 zu denken ist. Das Werkstück 21 soll sich in Richtung des Pfeiles 23 auf das nicht dargestellte Werkzeug zu bewegen. Aufgrund der Wirkung der Zugfedern 19 wird der bewegliche Teil 2 der Abtastvorrichtung ständig nach unten gedrückt, so daß die relative Höhen­ lage des beweglichen Teiles 2 gegenüber dem stationären Teil 1 durch die Anlage der Abtastrollen 21 auf der Oberfläche des Werkstückes 22 bestimmt ist. In dieser relativen Höhenlage sind die Potentiometerstangen 7, 8 um einen entsprechenden Betrag ausgefahren. Der an den Schleifern der Potentiometer 5, 6 meßbare Widerstand ist somit ein eindeutiges Maß für die Lage der Oberflä­ che des Werkstückes 22. Diese Widerstandswerte lassen sich durch die weiter unten beschriebene Schaltungsan­ ordnung auswerten.

Verändert sich die Höhe der Oberfläche des Werkstückes 22, so führt der bewegliche Teil 2 der Abtastvorrichtung gegenüber dem stationären Teil 1 eine entsprechende Vertikalbewegung durch, die von einem entsprechenden Einschieben bzw. Ausschieben der Potentiometerstangen 7, 8 und daher einer entsprechenden Veränderung der am Abgriff der Potentiometer 5, 6 gemessenen Widerstandswerte nieder­ schlägt. Geraten die Abtastrollen 21 bei der Bewegung des Werkstückes 22 in Richtung des Pfeiles 23 gegen eine solche Stufe im Werkstück 22, die von den Abtastrollen 21 nicht einfach "überrollt" werden kann, so tritt der Luftzylinder in Funktion, der im Gehäuse 4 untergebracht ist. Durch Einfahren der Kolbenstange 10 wird der beweg­ liche Teil 2 der Abtastvorrichtung angehoben, bis die Stufe im Werkstück 22 überwunden ist.

In Fig. 3 ist die Schaltungsanordnung dargestellt, mit welcher die von den beiden Linearpotentiometern 5, 6 gewonnenen Informationen über die Höhenlage des beweglichen Teiles 2 gegenüber dem stationären Teil 1 ausgewertet wird. Die beiden Linearpotentiometer 5, 6 sind Fig. 3 ebenfalls schematisch dargstellt. Die beiden Endanschlüsse von jedem der beiden Linearpoten­ tiometer 5, 6 sind mit jeweils einer Konstantstromquelle 23 bzw. 24 verbunden. Die an den Schleifern der Linearpo­ tentiometer 5, 6 entstehenden Spannungen sind somit ein eindeutiges Maß dafür, wie weit die Potentiometerstangen 7, 8 ausgefahren sind, also letztendlich für die relative Höhenlage zwischen stationärem Teil 1 und beweglichem Teil 2 der Abtastvorrichtung.

Diese Spannungen werden jeweils über eine Diode 26, 27 an die beiden Eingänge eines Mittelwertbildners 28 gelegt. Am Ausgang des Mittelwertbildners 28 liegt somit eine Spannung, die dem mittleren Ausgangssignal der beiden Linearpotentiometer 5, 6 entspricht. Sie wird einem Spannungs/Stromwandler 29 zugeführt, der das Ausgangssignal des Mittelwertbildners 28 in einen proportionalen Strom umwandelt. Dieser Strom wird als Ausgangssignal der Schaltungsanordung zu Ansteuerung weiterer Schaltungskom­ ponenten verwendet, die hier nicht näher beschrieben und durch einen Widerstand 30 symbolisiert sind.

Das Ausgangssignal des Mittelwertbildners 28 wird außer­ dem zwei Schwellwertkomparatoren 31, 32 zugeführt, deren Schaltschwelle jeweils durch ein Trimmpotentiometer 33 bzw. 34 einstellbar ist. Der Schwellwertkomparator 32 erzeugt ein Ausgangssignal, wenn das mittlere Signal der beiden Linearpotentiometer 5, 6 einen unteren Schwell­ wert unterschritten hat, wenn also beispielsweise der bewegliche Teil 2 der Abtastvorrichtung gegenüber dem stationären Teil 1 im Bereich seines unteren Anschlags ist. Dann bringt der Schwellwertkomparator 32 eine Leucht­ diode 35 zum Leuchten. Der Schwellwertkomparator 31 dagegen erzeugt ein Ausgangssignal dann, wenn der bewegliche Teil 2 der Abtastvorrichtung gegenüber dem statio­ nären Teil 1 in der Nähe seines oberen Anschlags ist. In diesem Falle leuchtet eine von dem Schwellwertkompa­ rator 31 gespeiste Leuchtdiode 36 auf.

Die beiden Ausgangssignale der Linearpotentiometer 5, 6 werden außerdem den beiden Eingängen eines Differenz­ verstärkers 37 zugeführt. Das Ausgangssignal des Diffe­ renzverstärkers 37 ist mit einem Fensterdiskriminator 38 verbunden. Dieser erzeugt ein Ausgangssignal, wenn die Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen des Differenzverstärkers 37 einen bestimmten Wert (nach oben oder unten) überschreitet. Dieser Wert läßt sich durch ein Trimmpotentiometer 40 einstellen. Das Aus­ gangsignal des Fensterdiskriminators 38 bringt eine weitere Leuchtdiode 39 zum Leuchten.

Die Funktionsweise der oben beschriebenen Schaltungs­ anordnung ist folgende:
Vor Inbetriebnahme der Abtastvorrichtung wird die Auswert­ schaltungsanordnung durch entsprechende Einstellung der Konstantstromquellen 24, 25 so abgeglichen, daß das Aus­ gangssignal des Differenzverstärkers 37 Null ist.

Solange an den Abtastrollen 21 der Abtastvorrichtung noch kein Werkstück anliegt, befindet sich der beweg­ liche Teil 2 der Abtastvorrichtung 1 im größtmöglichen Abstand vom stationären Teil 1 am unteren Anschlag; dies wird durch Leuchten der Leuchtdiode 35 angezeigt. Wird nunmehr ein Werkstück 22 zur Bearbeitung herangeführt, drückt dieses den beweglichen Teil 2 der Abtastvorrichtung 1 über die Abtastrollen 21 in eine bestimmte, zwischen den Endlagen befindliche Höhenposition gegenüber dem statio­ nären Teil 1, so daß die beiden Linearpotentiometer 5, 6 jeweils ein Ausgangssignal erzeugen, das zwischen der Spannung Null und der maximalen an den beiden Linear­ potentiometern 5, 6 abfallenden Spannung liegt. Idealer­ weise sind die beiden Ausgangsspannungen gleich groß. Liegen geringfügige Unterschiede vor, die auf bauliche Unterschiede der Linearpotentiometer 5, 6 bzw. der zuge­ hörigen Schaltungszweige zurückzuführen sein können, so werden diese mit Hilfe des Mittelwertbildners 28 gemittelt; der vom Spannungs/Stromwandler 29 erzeugte Ausgangsstrom wird in der nachgeschalteten, durch den Widerstand 30 symbolisierten Steuerung beispielsweise dazu verwendet, die Höhe des Werkzeuges, mit dem das Werkstück 22 bearbei­ tet wird, so nachzufahren, daß immer ein konstanter vertikaler Abstand zwischen der Oberfläche des Werkzeuges 22 an der abgetasteten Stelle und dem Werkzeug eingehalten wird.

Sollte die Oberfläche des Werkstückes 22 sich soweit nach oben anheben, daß der Bewegungsweg des beweglichen Teiles 2 gegenüber dem stationären Teil 1 der Abtast­ vorrichtung ausgeschöpft und ein Endanschlag erreicht ist, so wird dies durch Aufleuchten der Leuchtdiode 36 angezeigt.

Der den Differenzverstärker 37 und den Fensterdiskrimi­ nator 38 umfassende Schaltungszweig der Schaltungsanord­ nung stellt eine Sicherheitseinrichtung dar: Wenn sich die beiden Ausgangssignale der Linearpotentiometer 5, 6 zu stark voneinander unterscheiden, ist dies ein Indiz für einen aufgetretenen Fehler. Beispielsweise kann eines der beiden Linearpotentiometer 5, 6 defekt gewor­ den sein. In diesem Falle leuchtet die Leuchtdiode 39 auf. Der weitere Bearbeitungsvorgang wird nunmehr sofort unterbrochen.

Das in Fig. 4 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel einer Abtastvorrichtung stimmt weitgehend mit demjenigen überein, das oben anhand der Fig. 1 bis 3 beschrie­ ben wurde. Entsprechende Teile sind daher mit demselben Bezugszeichen zzgl. 100 gekennzeichnet.

In Fig. 4 finden sich aus Fig. 1 das Gehäuse 103, das Gehäuse 104, die Trägerplatten 111, das Winkelstück 112 und die an der vorderen Trägerplatte angebrachten Platten 115 und 116 wieder. Die Kolbenstange des Luftzylin­ ders und die Potentiometerstangen 7, 8 sind in Fig. 4 nicht erkennbar, in welcher der bewegliche Teil 102 gegenüber dem stationären Teil 101 sein oberste Position einnimmt.

Die Unterschiede zwischen dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 und demjenigen nach den Fig. 1 bis 3 liegen in folgendem:
Auf der Achse 120, um welche sich die Abtastrollen 121 drehen, ist außerdem eine Schwenkarm 140 gelagert, an dessen vorderem Ende eine weiter Abtastrolle 141 verdreh­ bar befestigt ist. Das Lager des Schwenkarmes 140 auf der Achse 120 enthält eine Drehfeder, welche den Schwenk­ arm 140 in der Sicht der Fig. 4 gegen den Uhrzeigersinn nach unten in Richtung auf das Werkstück 122 zu drehen sucht. Der Winkel, den der Schwenkarm 140 gegenüber den Trägerplatten 111 einnimmt, ist also ein direktes Maß für die Neigung der Oberfläche des Werkstückes 122.

Auf den Seitenflächen der beiden Trägerplatten 111 ist jeweils ein Drehpotentiometer 142 befestigt. Eines dieser beiden Drehpotentiometer 142 ist in Fig. 4 erkennbar. Die Schleifer der Drehpotentiometer 142 sind über einer Drehachse 143 verbunden, die durch eine Drehfeder in eine der beiden Endstellungen der Drehpotentiometer 142 gedrückt wird. Ein Seilzug verbindet eine auf der Drehachse 143 der beiden Drehpotentiometer 142 angebrachte Rolle (nicht dargestellt) mit dem Schwenkarm 140. Der Seilzug 144 verläuft dabei durch den Zwischenraum zwischen den beiden Trägerplatten 111; auch die Rolle befindet sich in diesem Zwischenraum. Der Seilzug 144 ist über eine Umlenkrolle geführt, die in der Zeichnung nicht erkennbar ist und koaxial zu den Abtastrollen 121 auf der Drehachse 120 befestigt ist. Das Ende des Seilzuges 144 ist am Schwenkarm 140 in Abstand von der Drehachse 120 festgelegt.

Die Funktionsweise des Ausführungsbeispieles von Fig. 4 stimmt, was die relative Höhenlage des beweglichen Teiles 2 gegenüber dem stationären Teil 1 der Abtast­ vorrichtung angeht, identisch mit dem überein, was oben für das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 beschrie­ ben wurde.

Zusätzlich läßt sich mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 die Neigung der Oberfläche des Werkstückes 122 bestimmen. Die Winkellage des Schwenkarmes 140, welche nach dem oben Gesagten ein Maß für diese Neigung ist, wird über den Seilzug 144 in bestimmte Drehstellung der beiden Drehpotentiometer 142 übertragen. Der Wider­ tandswert der beiden Drehpotentiometer 142 läßt sich somit direkt als Größe verwenden, welche für die Neigung der Oberfläche des Werkstückes 22 repräsentativ ist. Die Auswertung der Ausgangssignale der beiden Drehpoten­ tiometer 142 geschieht mit einer Schaltungsanordnung, die derjenigen der Fig. 3 völlig entspricht. Der einzige Unterschied ist, daß die Linearpotentiometer 5, 6 der Fig. 3 durch die Drehpotentiometer 142 aus Fig. 4 ersetzt sind.

Statt den analogen Potentiometeranordnungen, die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen zur Wegmessung eingesetzt sind, können alternativ je nach Präzisions­ anforderungen, auch andere Wegsensoren verwendet werden, z. B. digitale Wegsensoren.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Abtastung des Oberflächenverlaufs eines Werkstücks mit

• a) einem stationären, an einer Werkzeugmaschine befestig­ baren Teil;
• b) einem gegenüber dem stationären Teil beweglichen Teil, der ein an der Oberfläche des Werkstücks anleg­ bares Abtastglied aufweist;
• c) einem Wandler, der die Bewegung des beweglichen Teils gegenüber dem stationären Teil in ein elek­ trisches Signal umwandelt;
• d) einer Auswertschaltungsanordnung, der das elektri­ sche Signal des Wandlers zugeführt wird und hieraus ein Ausgangssignal erzeugt, welches für die Relativ­ position des beweglichen Teils gegenüber dem statio­ nären Teil repräsentativ ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das bewegliche Teil (2) gegenüber dem stationären Teil (1) in vertikaler Richtung linear beweglich geführt ist;
• b) der Wandler mindestens einen Linearwegsensor mit zwei Sensorkomponenten (5, 6) umfaßt, dessen erste Sensor­ komponente an einem (1) der beiden Teile (1, 2) der Vorrichtung befestigt ist und dessen mit der ersten Sensorkomponente zur Linearwegmessung zusammenarbei­ tende zweite Sensorkomponente mit dem jeweils anderen (2) der beiden Teile (1, 2) der Vorrichtung verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Linearwegsensor als Linear­ potentiometer (5, 6) ausgeführt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der bewegliche Teil (2) durch eine Federeinrichtung (19) gegenüber dem stationären Teil (1) nach unten gedrückt wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kolben-Zylinder- Einheit (4) vorgesehen ist, mit welcher der bewegliche Teil (2) der Vorrichtung gegenüber dem stationären Teil (1) der Vorrichtung angehoben werden kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylinder-Einheit (4) einen Luftzylinder umfaßt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Wandler zwei Linear­ potentiometer (5, 6) umfaßt, die parallel zueinander angeordnet sind, und daß die Auswertschaltungsanordnung einen Mittelwertbildner (28) aufweist, der als Ausgangs­ signal den Mittelwert der von den beiden Linearpotentio­ metern (5, 6) gewonnenen Signale erzeugt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertschaltungsanordnung zwei Schwellwert­ komparatoren (31, 32) aufweist, von den der eine bei Überschreiten eines ersten Schwellwertes des vom Wand­ ler (5, 6) gelieferten elektrischen Signales und der andere bei Unterschreiten eines zweiten Schwellwertes des vom Wandler (5, 6) gelieferten elektrischen Signales ein Warnsignal erzeugt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedes Linearpotentiometer (5, 6) von einer einstellbaren Konstantstromquelle (24, 25) gespeist wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die von den beiden Linearpotentio­ metern (5, 6) gewonnenen Signale einem Differenzverstär­ ker (37) zugeführt werden, dessen Ausgang mit einem Fenster-Diskriminator (38) verbunden ist, wobei der Fenster-Diskriminator (38) ein Warnsignal abgibt, wenn die Differenz zwischen den beiden von den Linear-Poten­ tiometern (5, 6) gewonnenen Signale einen bestimmten Wert überschreitet.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am beweglichen Teil (102) ein um eine horizontale Achse verschwenkbarer Schwenkarm (140) angelenkt ist, der an seinem freien Ende ein zweites an der Oberfläche des Werkstückes (122) anlegbares Abtastglied (141) aufweist, und daß ein Wand­ ler (142) vorgesehen ist, der den Schwenkwinkel des Schwenkarms (140) gegenüber dem vertikal beweglichen Teil (2) der Vorrichtung in ein elektrisches Signal umsetzt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler mindestens ein Drehpotentiometer (142) umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der Wandler zwei parallelliegende Dreh­ potentiometer (142) umfaßt und daß die Auswertschaltungs­ anordnung für die von den Drehpotentiometern (142) gewon­ nenen Signale analog zu der in den Ansprüchen 5 bis 9 beschriebenen Auswertschaltungsanordnung ausgelegt ist.